Henri Mustajärvi KORIN NOSTOLAITE

Transkriptio

1 Henri Mustajärvi KORIN NOSTOLAITE

2 KORIN NOSTOLAITE Henri Mustajärvi Opinnäytetyö Kevät 2015 Kone- ja tuotantotekniikan koulutusohjelma Oulun ammattikorkeakoulu

3 TIIVISTELMÄ Oulun ammattikorkeakoulu Kone- ja tuotantotekniikka, auto- ja kuljetustekniikka Tekijä: Henri Mustajärvi Opinnäytetyön nimi: Korin nostolaite Työn ohjaaja: Mauri Haataja Työn valmistumislukukausi ja -vuosi: kevät 2015 Sivumäärä: liitettä Työssä suunniteltiin ja valmistettiin Oamkin omistamaan ajoneuvoon hydraulinen korin nostolaite. Alun perin tarkoitus oli suunnitella pneumaattisesti toimiva järjestelmä, mutta sen toteuttavuus olisi ollut liian kallista. Suunnittelu aloitettiin sylinterivoimien määrittelemisellä eli ajoneuvon massan mittaamisella. Massojen perusteella voitiin valita hydraulisylinterit SMC:n tuotevalikoimasta. Sylinterien valitsemisen jälkeen hydraulijärjestelmän muut komponentit valittiin Kailatecin tuotevalikoimasta. Lujuusmitoituksessa käytettiin SolidWorks-ohjelmaa, jolla simuloitiin jokaisen tuen osat yksitellen rasituksessa, millä pyrittiin varmistamaan rakenteen kestävyyden. Hydraulisylinterit asennettiin ajoneuvoon ja hydraulineste sylintereille tuotiin ajoneuvon ulkopuolelta. Järjestelmää ohjataan erillisellä vivulla, joka ohjasi hydraulipumpulta tulevaa virtausta sylintereille. Vipuyksikkö ja hydraulipumppu toimivat ajoneuvon ulkopuolelta. Virtauksen suunnan perusteella ajoneuvo nousi sylintereiden männänvarsien varaan ilmaan ja laskettiin renkaiden varaan. Työn tuloksena oli toimiva korin nostolaite, joka suoriutui sille asetetuista vaatimuksista. Vaatimuksena olivat nopea nostoaika ja ohjattavuus ajoneuvon ulkopuolelta erillisellä vivulla. Korin nostolaitetta voi käyttää erityyppisissä kokeissa kuten rengastesteissä, mutta kilpakäyttöön järjestelmä on liian raskas ja hidas. Työssä pyrittiin järjestelmän taloudellisuuteen, jolloin jouduttiin karsimaan hydraulijärjestelmän ominaisuuksia, kuten nostonopeutta ja -tasaisuutta. Asiasanat: hydrauliikka, pneumatiikka, sylinteri, suunnittelu 3

4 ALKULAUSE Kiitoksia SMC:lle hydraulisylintereiden ja Kailatecille hydraulijärjestelmän komponenttien sponsoroinnista. Suunnittelu- ja asennustöissä insinööriopiskelijat Janne Alaluusua ja Miikka Mäkelä auttoivat, mikä nopeutti asennustöiden etenemistä. Ohjaavana opettajana toimi yliopettaja Mauri Haataja. Kiitokset Maurille ohjauksesta. Oulussa Henri Mustajärvi 4

5 SISÄLLYS 1 JOHDANTO 7 2 AJONEUVON MITTAUKSET 9 3 JÄRJESTELMÄN VALINTA Pneumaattinen järjestelmä Mitoitus Sylinteri Sylintereiden valinta ja arviointi Hydraulinen järjestelmä Suljettu hydraulijärjestelmä Avoin hydraulijärjestelmä 18 4 MITOITTAMINEN Sylinterit Pumppu Virtalähde Nostonopeus Säiliö Venttiilit Virtaventtiilit Paineventtiilit Suuntaventtiilit Hydraulineste Virtaustyypit Laminaarinen ja turbulenttinen virtaus Letkut Hydraulikaavio Sylinteiden tuenta Etusylinterit Takasylinterit Hitsausliitokset Ruuviliitokset 42 5 TOTEUTUS 46 5

6 6 YHTEENVETO 51 LÄHTEET 52 LIITTEET Liite 1 Lähtötietomuistio Liite 2 CP96-sylinterin tiedot Liite 3 CHD2-sylinterin tiedot 6

7 1 JOHDANTO Oulun ammattikorkeakoululle on hankittu opetuskäyttöön Audi A1 S-line, vuosimalli Ajoneuvoa sovelletaan erilaisilla projekteissa ja opinnäytetöissä. Auton omistaa Oamk, mutta ajoneuvo on opiskelijoiden opiskelukäytössä. Opettajat toimivat asiantuntijoina ja valvojina. Audi-projekti on sponsoroiden rahoittama, ja sillä kustannetaan ajoneuvoon rakentaminen ja materiaalikulut. ST-Audi-projekti lähti käyntiin vuonna 2013 syksyllä. Alkuvaiheessa ajoneuvon muutostöissä oli mukana yli 20 insinööriopiskelijaa. Vuosina ajoneuvoon asennettiin - turvakaaret - polttoainejärjestelmä - sammutinjärjestelmä - hiilikuituosia - kuppipenkit ja monipistevyöt - Motec-tiedonkeruujärjestelmä. Tässä opinnäytetyössä suunnitellaan ja toteutetaan Oamkin omistamaan ajoneuvoon korin nostolaite. Korin nostolaite toteutetaan asentamalla kiinteästi ajoneuvoon sylintereitä, jotka nostavat ajoneuvon renkaat irti maasta. Sylinterit saavat käyttövoimansa pneumaattisesti tai hydraulisesti ja käyttövoima määräytyy opinnäytetyön aikana. Valintaperusteet ovat järjestelmän hintakustannus, asennettavuus ajoneuvoon, käytettävyys ja toimivuus. Tyypillisesti moottoriurheilussa käytetään korkeapainejärjestelmää, joka sallii pienikokoisten sylintereiden käyttämisen ajoneuvossa, mikä säästää painossa verrattuna matalapainejärjestelmän paineilmasylintereihin. Suunniteltu järjestelmä tulisi toimimaan 8 bar paineella, joka on saavutettavissa perinteisellä ilmanpainekompressorilla. Järjestelmä olisi korkeapainejärjestelmää edullisempi eikä tarvitsisi korkeapainekompressoria. Ilmanpaine on myös turvallinen vaihtoehto, koska ilma ei sisällä haitallisia kemikaaleja, jotka voisivat aiheuttaa ongelmia terveydelle. Haittapuolena ovat sylintereiden fyysinen koko ja massa. 7

8 Hydraulijärjestelmällä saavutetaan huomattavasti suuremmat voimat sylintereillä kuin pneumaattisessa. Järjestelmänpaine voi olla kymmenkertainen, jolloin sylintereiden koot ovat huomattavasti pienemmät. Ongelmakohdiksi muodostuvat järjestelmän monimutkaisuus ja massa sekä hydraulinesteen kuljettaminen. Turvallisuus on myös huomioitava, sillä järjestelmän vuotaminen voi sotkea ajoneuvoa ja neste voi vahingoittaa käyttäjää tai ulkopuolisia, jos neste suihkuaa paineella järjestelmästä. 8

9 2 AJONEUVON MITTAUKSET Suunnittelu aloitettiin mittaamalla ajoneuvon akselimassat. Ajoneuvo ajettiin nosturille, minkä jälkeen akseli kerrallaan nostettiin ylös ja Intercomp Quick Weight Scale Model SW650 -vaa at asetettiin renkaiden alle (kuva 1). Vaa at kytkettiin Intercompin näyttölaitteeseen, joka ilmoitti jokaiselle neljälle vaa alle senhetkisen massan. KUVA 1. Vaa'at asetettu Audin renkaiden alle Vaakojen ollessa asetettu renkaiden alle ja ajoneuvon ollessa staattisessa tilassa luettiin Intercompin näyttölaitteen ilmoittamat massatiedot jokaiselta kulmalta (taulukko 1). Akseli- ja kulmapainojen mittaus suoritettiin ilman kuskia ja polttoainesäiliön ollessa tyhjä. 9

10 TAULUKKO 1. Ajoneuvon kulmamassat Vasen eturengas Vasen takarengas Oikea eturengas Oikea takarengas 371,0 kg 197,5 kg 423,0 kg 208,5 kg Kulmamassojen perusteella saadaan etu- ja taka-akselin massat selville laskemalla etummaisten ja takimmaisten kulmamassat yhteen. Etuakseli: 371,0 kg + 423,0 kg = 794,0 kg Taka-akseli: 197,5 kg + 208,5 kg = 406 kg Kun tiedetään ajoneuvon kulmapaino, voidaan laskea sylinteriltä vaadittavan voiman (kaava 1) (8, s. 91), jotta ajoneuvon kulman nostamiseen tarvittavan voima tiedetään sylinterin määrittämistä varten. = KAAVA 1 m = massa (kg) g = putoamiskiihtyvyys 9,81 (m/s 2 ) Etu- ja taka-akselilla vaadittavat sylinterivoimat määritetään kaavalla 1. =423 9,81 =4149,6 =371 9,81 =3639,5 =208,5 9,81 =2045,4 =197,5 9,81 =1937,5 10

11 Pelkästään vaadittava nostovoima ei ole riittävä, koska järjestelmälle on määriteltävä varmuuskerroin. Varmuuskerroin takaa sen, ettei laitteen vanhenemien ja kuluminen aiheuta nostossa elinkaariongelmia. 11

12 3 JÄRJESTELMÄN VALINTA Korin nostolaitteen voidaan toteuttaa kolmella tavalla: pneumaattisesti, hydraulisesti tai mekaanisesti sähkömoottoreilla. Kuitenkin tässä opinnäytetyössä tutkitaan asennuksen ja käytön kannalta helpointa mahdollista järjestelmää ajoneuvoon, eli pneumaattista ja hydraulista järjestelmää. Ajoneuvon tulee nousta ilmaan niin, ettei mikään rengas kosketa maahan. Suurimpana rajoittavana tekijänä ajoneuvossa on tila, jota ei ole paljon etuakselin puolella. Etuakselin etupuolella on moottori ja takana ajoneuvon istumapaikat ja hallintalaitteet. Taka-akselilla sijoittaminen ei ole ongelma, koska sylintereille tulee omat paikat taka-akselissa. Sopivat kiinnityssijainnit hydraulisylintereille arvioitiin etuakselilla kuljettajan (kuva 2) jalkatilan nurkasta. Sopiva kiinnityssijainti on turvakehikon vieressä, mikä mahdollistaa ylätuen kiinnittämisen turvakehikkoon kiinteästi. KUVA 2. Kuljettajan jalkatila Matkustajan puolella (kuva 3) sopiva kiinnityssijainti löytyi myös turvakehikon vierestä. Matkustajan jalkatila on lähes samanlainen kuin kuljettajan, mutta pei- 12

13 likuva. Tuet voidaan valmistaa samanlaiset kuin kuljettajan puolella, mutta peilikuvana. KUVA 3. Matkustajan jalkatila Kuljettajan puoleisen sylinterin koko on ratkaiseva, koska sylinterin sijainti vaikuttaa kuljettajan vasemman jalan käyttämistä. Vasemmalla jalalla käytetään jalkatoimista kytkintä, joka asennetaan tulevaisuudessa ajoneuvoon. Suurikokoinen sylinteri vaikeuttaisi vasemman jalan käyttämistä, koska se olisi jalan tiellä. Alkuperäinen taka-akseli korvataan erillisellä konstruktiolla. Muutoksen vuoksi sylintereitä ei voi asentaa taka-akseliin kiinni, joten kiinnityssijainnit etsittiin ajoneuvonkorista. Iskupituuden tulee olla etu- ja taka-akselilla vähintään 250 mm, jota voidaan lisätä männänvarteen asentamalla korotuspalan. Rajoittavana tekijöinä ovat sylintereiden koot ja järjestelmän hinta. Rakennelma pyritään toteuttamaan toimivaksi ja mahdollisimman edulliseksi, kuitenkin niin ettei kuljettajalla tai matkustajalla ole ongelmia olla kyydissä tai operoida ajoneuvoa. 3.1 Pneumaattinen järjestelmä Pneumaattinen eli tuotettava voima toteutetaan paineistetun kaasun avulla. Paineilmaa käytetään useissa eri työkaluissa ja toimilaitteissa, kuten raskaan kaluston jarrujärjestelmissä. 13

14 Paineilmajärjestelmä koostuu yksinkertaisimmillaan kompressorista, paineenrajoitusventtiilistä, paineastiasta ja käytettävästä laitteesta. Kompressoriksi kutsutaan laitetta, joka nostaa kaasun painetta vähintään kaksinkertaiseksi verrattuna imupaineeseen. Tyypillisesti teollisuuden käyttämä paine on 6-10 bar. (1, s. 37.) Suunniteltu järjestelmä olisi tarkoitus toimia 8 bar paineella. Useimmat kompressorit pystyvät tuottamaan vaadittavan paineen, jolloin mitoituslähtökohta aloitetaan siitä. Tarkoituksena olisi pystyä nostamaan ajoneuvon millä tahansa kompressorilla, joka pystyisi tuottamaan vaadittavan paineen. Nostonopeudella ei ole kovinkaan suurta merkitystä, mutta oletetaan, että nostoaika olisi korkeintaan 1-2 min Mitoitus Suunnittelu aloitettiin, kun tiedettiin kuorman (taulukko 2) ja järjestelmän käyttöpaineen. Käyttöpaine tulee olemaan 8 bar ja kuorma tiedetään, jolloin männän pinta-alan pitää selvittää. TAULUKKO 2. Nostokuorma ja varmuuskertoimet Varmuuskerroin 1 Varmuuskerroin 1,5 VE 3 639,5 N 5 459,3 N OE 4 149,6 N 6 224,5 N VT 1 937,5 N 2 906,2 N OT 2 045,4 N 3 068,1 N Ajoneuvoa tutkitaan tulevaisuudessa tulevissa opinnäytetöissä, jolloin varmuuskertoimen on hyvä olla noin 1,5, koska ajoneuvolle voi kertyä lisää massaa. Sylinteriltä vaadittavan nostovoima lasketaan kaavalla 2. (8, s. 99.) # = $ % KAAVA 2 p = paine (Pa) F = voima (N) A = pinta-ala (m 2 ) 14

15 Kaavasta 2 saadaan männän pinta-ala (A) selville. &= $ ' &= 6224, () =0,0077 Sylinterin pinta-alasta voidaan selvittää männän säde (kaava 3) (8, s.18). &=* + KAAVA 3 r = säde (m) + =, 0,0077 * =0,0495 =4,95- Etuakselilla vaadittavaa sylinterikokoa käytetään suurimman kuorman mukaisesti, joka on taulukon 2 mukaisesti 6 224,5 N, kun varmuuskerroin otetaan huomioon ja taka-akselilla N. Sylinterit valitaan pareittain etu- ja takaakselille. Paineilmasylinterin halkaisijan valitsemiseen käytetään ISO 4393:n mukaisia halkaisijoita (2, s. 94). Sylintereiden teoreettinen nostovoima on laskettu taulukossa 3. TAULUKKO 3. Sylintereiden teoreettiset nostovoimat ISO 4393:n mukaisesti Männän halkaisija (mm) Käyttöpaine (bar) ,3 785, , , , , , , ,4 981, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,5 Teoreettisen nostovoiman perusteella taulukosta 3 valitaan etuakselille 100 mm halkaisijalla olevat paineilmasylinterit ja taka-akselille 80 mm halkaisijalla olevat paineilmasylinterit. Teoreettisessa laskennassa ei ole otettu huomioon sylintereiden ja paineilmajärjestelmän hyötysuhdetta, joka laskee todellista nostovoi- 15

16 maa sylintereillä. Hyötysuhde määrittää sen kuinka paljon toimilaite voi muuttaa sille annetusta energiasta voimaksi. Hyötysuhteeseen vaikuttavat voitelu, laakerointi ja materiaalivalinnat. Paineilmasylintereissä käytetään 0,7 hyötysuhdetta, koska todellista hyötysuhdetta ei tiedetä. Todellisen sylinterin nostovoiman saadaan kaavalla 4. =# &. KAAVA 4 η = hyötysuhde (0,7) = () (* 0,05) 0,7=4398 Todellisen nostovoiman selvittyä voidaan valita etuakselille sylinterin (taulukko 4), joka ylittää taulukossa 2 olevan oikean etukulman vaadittavan voiman 6 224,5 N. Etuakselille valitaan sylinteri, jossa on 125 mm:n halkaisijalla oleva mäntä. Etu- ja taka-akselille valitaan samalla lailla sylinterit. Taulukosta 2 katsotaan suurimmat voimat akseleilla. Taka-akselilla suurin voima on oikeassa takakulmassa N, ja valitaan tällöin syliterin, jossa on 100 mm:n halkaisijalla oleva mäntä. TAULUKKO 4. Sylinterin todellinen nostovoima Männän halkaisija (mm) Käyttöpaine (bar) ,4 549, , , , , , , ,8 687, , , , , , , ,2 824, , , , , , , ,5 962, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , Sylinteri Sylinterissä pneumaattinen järjestelmä tekee mekaanisen työn. Pneumaattisissa sylintereistä kaksitoimiset (kuva 4) ovat yleisimpiä. Kaksitoimisylinteriä voidaan liikuttaa sisään- ja ulospäin paineilman avulla, mutta sylinteriä käyttäessä tulee huomioida, että männänvarren puoleinen männän pinta-ala on pienempi männän varren takia. Pienemmän pinta-alan vuoksi paineen aiheuttama voima 16

17 on pienempi kuin toisella puolella. (3, s. 53.) Valintaperusteet sylinterille ovat edullinen hinta, koko ja sylinterin kaksitoimisuus. KUVA 4. Kaksitoimisen sylinterin piirroskuva Valittu sylinteri on ISO-luokiteltu CP96-sarjalainen (liite 2), joka on kaksitoiminen. Sylinteri toiminta-alue on 0,5-10 bar. Männän halkaisijan ollessa 125 mm sylinteri täyttää sille asetetut vaatimukset etuakselilla kun paine on vähintään 8 bar. Taka-akselille valitaan CP96-sylinteri, jossa on 100 mm:n halkaisijalla oleva mäntä (taulukko 4) Sylintereiden valinta ja arviointi Etuakselille sijoitettavat sylinterit ovat koon ja massansa puolesta aivan liian massiivisia jalkatiloihin (kuvat 2 ja 3). Taka-akselilla sylintereiden koko ei haittaisi, mutta järjestelmää ei olisi järkevä toteuttaa, koska sylinterit haittaisivat kuljettajan toimintaa. Järjestelmän käyttöpainetta olisi voinut korottaa, mutta paineenkorotus olisi tullut maksamaan liikaa. Tämän vuoksi järjestelmän suunnittelua ei jatketa, vaan pneumaattinen järjestelmä hylätään liiallisen koon vuoksi. 3.2 Hydraulinen järjestelmä Hydraulinen järjestelmä poikkeaa pneumaattisesta siten, että hydraulisessa järjestelmässä käytetään paineilman sijasta hydraulinestettä. Hydraulijärjestelmä on tehonsiirtoketju, joka muuttaa järjestelmälle syötteenä annettavan mekaanisen tehon hydrauliseksi, joka puolestaan välittää sen haluttuun kohteeseen ja muuntaa halutussa kohteessa sen takaisin mekaaniseksi tehoksi. Hydraulisten järjestelmien etuina muihin tehonsiirtotapoihin verrattuna ovat suunnittelun vapaus ja komponenttien teho-painosuhteet. Tehonsiirto voidaan toteuttaa hydrostaattisesti tai hydrodynaamisesti järjestelmässä. Hydrostaattisessa tehonsiirrossa siirrettävä energia sidotaan potentiaa- 17

18 lienergiaksi ja hydrodynaamisessa tehonsiirrossa nesteen liike-energiaksi. (1, s. 4.) Suljettu hydraulijärjestelmä Suljetussa hydraulijärjestelmässä (kuva 5) ei ole suurta nestevarastoa toisin kuin avoimessa järjestelmässä. Toimilaitteilta palaava neste johdetaan takaisin pumpun imupuolella, jolloin järjestelmän pumppuna käytetään yleisimmin kaksisuuntaista säätötilavuuspumppua Pumpun avulla voidaan suunnata toimilaitteen liikesuunta ja pumpun kierrostilavuudella toimilaitteen liikenopeus. Tyypillisesti järjestelmän vuotojen kompensoimiseksi ja hydraulinesteen jäähdyttämistä varten tarvitaan syöttöpumppu säiliöineen. (1, s. 5.) KUVA 5. Suljettu hydraulijärjestelmä Avoin hydraulijärjestelmä Avoimessa hydraulijärjestelmässä on tyypillistä suuri nestesäiliö, josta neste imetään kiertoon järjestelmään ja johon se palaa toimilaitteilta (kuva 6). Järjestelmässä käytetään vain yksisuuntaista pumppua, joka pumppaa vain yhteen suuntaan nestettä, jolloin toimilaitteiden liikesuuntaa ei voi hallita pumpulla vaan siihen käytetään suuntaventtiileitä. Venttiilin ohjatessa toimilaitteen suuntaa kyseessä on venttiiliohjattu järjestelmä. (1, s. 5.) Hydraulijärjestelmä toteutettiin avoimella järjestelmällä, koska vaadittavat komponentit suljettuun järjestelmään olisi ollut erittäin hankala löytää. 18

19 KUVA 6. Avoin hydraulijärjestelmä 19

20 4 MITOITTAMINEN Hydrauliikkasylinterille pätevät samat mitoitusvaatimukset kuin pneumaattiselle sylinterille (taulukko 2). SMC:ltä löytyi sopiva sylinteri (liite 3), joka täyttää sille asetut vaatimukset. Sylinterille vaadittavan paineen voidaan määrittää kaavan 1 avulla. Kyseessä on teoreettisesti vaadittava paine, jolla sylinteri voi saavuttaa halutun voiman, mutta hyötysuhde ei voi olla koskaan 1, jolloin vaadittava paine on todellista suurempi. # 1 = 2324,56 = () =33 9)+ 7 (8,8 ) 4.1 Sylinterit Lähtökohtaisesti sylinterit valitaan koon, paineen keston ja hintansa perusteella CHD2-sarjan hydrauliikkasylinteri (kuva 7) (liite 3) täyttää nämä vaatimukset, joten mitoituskohteeksi otetaan kyseiset sylinterit. Sylintereitä on neljä, jotta ajoneuvon nostaminen tapahtuisi mahdollisemman tasaisesti. KUVA 7. CHD2-sylinteri Teoreettinen nostokyky (taulukko 5) lasketaan samalla lailla kuin pneumaattisessa, joten lasketaan sylinterin todellisen nostokyky. Sylinterin ja hydrauliikkajärjestelmän hyötysuhteita ei tunneta, joten arvioidaan järjestelmän hyötysuh- 20

21 teen olevan 0,7. Järjestelmän hyötysuhde voi olla arvioitua parempi, jolloin vaadittava käyttöpaine on pienempi. TAULUKKO 5. CHD2-sylinterin todellinen nostovoima Männän halkaisija (mm) Käyttöpaine (bar) , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,2 Taulukosta 5 voidaan katsoa, että tarvittava käyttöpaine asettuu interpoloimalla 47 bar, kun männän halkaisija on 40 mm. Hydrauliikkapumppu pitää pystyä tuottaa vähintään tämä paine, jotta sylinteri toimisi halutulla tavalla. Sylinterin miinusliikkeessä (kuva 8) männänvarsi palautuu takaisin sylinteriin ajoneuvon massan avulla, minkä jälkeen pumpun avulla voidaan männänvarren ajaa nolla-asentoon. Kuormituksen vuoksi paluuliikkeen tarvitsemaa voimaa ei tarvitse mitoittaa. 21

22 KUVA 8. Hydraulisylinterin rakenne (1, s. 195) Etuakselilla olevien sylinteriparien iskunpituudet ovat 250 mm ja taka-akselilla 250 mm. Tällöin etu- ja taka-akselin sylinterin tilavuus voidaan laskea kaavalla 4 (8, s. 21). : =* + h KAAVA 4 h = iskun pituus (m) : < 1 =* (0,02) 0,25 =3, =2 > =0,3141? > : < 1 =* (0,02) 0,25 =3, =2 > =0,3141? > Etuakselilla sylintereitä on kaksi ja taka-akselilla myös. Sylintereiden yhteenlaskettu tilavuus on tällöin : <@ ä =(: < 1 2)+(: < 1 2) : <@ ä =(0,314? > 2)+(0,314? > 2)=1,256? >. Sylinteriin kohdistuu aksiaalisia ja radiaalisia voimia, kun männänvarsi on ojennettu ulos. Erityisesti jos männänvarsi on ohut ja iskupituus on pitkä, on syytä tarkistaa sylinterin nurjahdusvaaran. Itse sylinterin nurjahdusvoimaa on vaikea määrittää, koska sylinteri koostuu putkesta ja männänvarresta. Nurjahdusvoi- 22

23 man voidaan tarkistaa valmistajan laatimista diagrammeista tai Eulerin yhtälön avulla. (3, s. 97.) 4.2 Pumppu Pumppu on laite, joka muuttaa mekaanisen tehon hydrauliseksi. Mekaaninen teho on yleensä pyörivässä muodossa, koska teholähde on joko sähkö- tai polttomoottori. Pumppu voidaan toteuttaa rakenteellisesti monella eri tavalla, mutta pumput luokitellaan yleensä hammaspyörä-, ruuvi-, siipi- ja mäntäpumppuihin. Toimintaperiaatteena pumpussa on, että siirrettävä neste suljetaan kammioihin, jotka avataan vuorotellen imu- ja painelähtöihin. (1, s. 137.) Rakenteellisen jaon lisäksi pumput jaetaan vakiotilavuuksiin ja säätötilavuuksisiin. Vakiotilavuuspumpun pyörimisnopeutta ei yleensä voida muuttaa, jolloin pumppu antaa tietyn vakiona pysyvän tilavuusvirran. Säätötilavuuspumpulla voidaan tilavuusvirtaa muuttaa käyttömoottorin pyörimisnopeudesta riippumatta. Säätäminen on portaatonta tai portaallinen. (1, s. 137.) Edelleen pumput voidaan jakaa yksi- ja kaksisuuntaisiin pumppuihin. Yksisuuntaista pumppua pystyy käyttämään vain yhteen pyörimissuuntaan, jolloin virtaus menee vain yhteen suuntaan. Kaksisuuntaisesta pumpusta saadaan virtauksen ohjattua kahteen eri suuntaan, mikä mahdollistaa toimilaitteiden liikesuunnan vaihtoon. (1, s. 137.) 23

24 Järjestelmään tulee 12 V tasavirralla toimiva hydrauliikkapumppu (kuva 9), joka on yksisuuntainen vakiotilavuus pumppu. Sähköinen pumppu mahdollistaa hydrauliikkajärjestelmän yksinkertaistamisen ajoneuvossa, kun voimanlähteenä ei toimi erillinen akseli. Pumppurakennelma sisältää imupuolella metalliverkkoisen suodattimen, paineenrajoitusventtiilin ja paineliitännän, josta voidaan mitata pumpun tuottama paine. KUVA 9. Hydraulipumppu säiliöineen Moottorin teho on W ja toimintajännite 12 V. Moottori on vakiotilavuuspumppu, joka toimii r/min nopeudella ja tuottaa 3 l tilavuusvirran tällöin. Hydraulipumpun tuottama paine on 100 bar ja kierrostilavuus on 1,6 cm 3 kierrosta kohden. Säiliön tilavuus on 5 l. Tyypillisesti hydrauliikkapumppu ottaa käyttötehonsa erilliseltä akselilta. Ajoneuvossa ei ole sellaista saatavilla, joten pumppu ottaa käyttötehonsa erilliseltä 12 V lähteestä. Tasavirtalähde voi olla ajoneuvon akku tai erillinen virtalähde, joka tuottaa vaadittavan jännitteen ja virran pumpulle. Kuitenkin tässä tapauksessa ajoneuvon akku tai erillinen akku tulee toimimaan pumpulle energiavarastona. Pumpun käyttämä virran määrän voidaan määrittää kaavalla 5, kun tiedetään hydraulipumpun teho ja käyttöjännitte. ( =D E KAAVA 5 U = jännite (V) I = virta (A) P = teho (W) 24

25 E = 3588F 3,GH =125,98& Virtalähde Akuksi valitaan Bosch S5 -akku (kuva 10), jonka toimintajännite on 12 V ja virtaa on 77 Ah. Kyseinen akku kykenee luovuttamaan hetkellisesti 780 A virran. Akun kapasiteetilla voi pumppua käyttää ajallisesti kaavalla 6. KUVA 10. Bosch S5 77Ah -akku I = % ' J' 1 t = aika KAAVA 6 I = GG%@ =0,61h =36,6MN = K,4L% Suuremman kapasiteetin akku kykenisi tuottamaan virtaa järjestelmälle pidemmän aikaa, jolloin akkua ei tarvitsisi ladata jokaisen käyttökerran jälkeen. Täyteen ladattu akku pysyy toimintakuntoisena kauemmin ja akku voidaan käyttää käynnistysakkuna ajoneuvolle tarpeen vaatiessa. Siitä huolimatta 77 Ah akku on täysin riittävä käyttötarkoitukseen. Käynnistyshetkellä sähkömoottorin käyttämä virta on 230 A, jonka mukaan sähkökaapelin mitoitettiin. Laskemiseen käytettiin valmista laskuria, joka antoi tuloksen kuparikaapelin poikkipinta-alana (kuva 11). 25

26 KUVA 11. Kuparikaapelin poikkipinta-ala (5, linkit Sekalaista -> Kuparikaapelin poikkipinta laskuri) Pienin sallittu poikkipinta-ala johtimelle on 22,4 mm 2, jolloin käytettiin markkinoilla seuraavaa yleisintä kokoa, joka on 25 mm Nostonopeus Pumpun tilavuusvirta on 3 l/min paineen ollessa 100 bar. Todellista tuottoa ei tunneta pienemmällä paineella, jolloin käytetään pumpun tilavuusvirtaa pumpun tuottaessa 100 bar. Nostonopeuden voidaan laskea kaavalla 7, koska tiedetään sylintereiden tilavuudet ja pumpun tuotto. I = H OPQRSTUVRT W XYZXXY KAAVA 7 V=1,256dm > Q=3l /abc I= 1,256?> 3d / =0,418MN=24,6 Laskennassa ei ole otettu huomioon hydraulijärjestelmän vastuksia eikä letkujen ja venttiilien tilavuuksia. Hydraulijärjestelmän virtausvastukset ja letkujen pituudet nostavat nostoaikaa jonkin verran, mutta sitä ei oteta huomioon. 4.3 Säiliö Säiliön mitoituksessa on huomioitava pumpun tuottama tilavuusvirta. Tyypillisesti säiliö on 2-3 kertaa suurempi kuin pumpun tilavuusvirta. (3, s. 202.) Täl- 26

27 löin järjestelmän säiliön koko olisi vähintään 6 l, koska pumpun tilavuusvirta on 3 l/min. Säiliön päätehtävä on toimia nestevarastona ja lämmönsiirtimenä. Järjestelmässä tulee olla nestevarasto, josta voidaan ottaa toimilaitteiden käyttöön nestettä ja palauttaa käyttämisen jälkeen. Säiliö toimii merkittävimpänä passiivisena lämmönsiirtimenä yleensä hydraulijärjestelmässä. Jäähdytyskykyyn vaikuttavat säiliön pinta-ala, ympäristön ja nesteen välinen lämpötilaero ja nesteen sekoittuminen säiliön sisällä. (1, s. 405.) Hydraulijärjestelmän tilavuus on pienehkö ja toimilaitteiden käyttö on vain hetkellistä, jolloin säiliön koossa tehtiin kompromissi ja valittiin 5 l säiliö kustannussyistä. 4.4 Venttiilit Hydraulijärjestelmässä venttiileillä säädetään painetta, tilavuusvirran suuruutta ja suuntaa. Paineen säätämisen avulla voidaan vaikuttaa toimilaitteista saatavaan voimaan, tilavuusvirran säädöllä toimilaitteiden liikenopeuksiin. Venttiilit ryhmitellään virta-, paine- ja suuntaventtiileihin. (1, s. 224.) Virtaventtiilit Virtaventtiileillä säädetään hydrauliikassa tilavuusvirtaa (3, s. 77). Järjestelmässä on virranjakoventtiili (kuva 12), joka jakaa tilavuusvirran kahteen yhtä suureen osaan (kuva 13). KUVA 12. Virranjakoventtiilin piirrosmerkki 27

28 KUVA 13. Virranjakoventtiilin rakenne (1, s. 325) Hydraulipumpun tilavuusvirrantuotto on 3 l/min, joten pienin virranjakoventtiili, joka tulisi toimimaan oikeaoppisesti, vaati vähintään 3 l/min. Venttiili valittiin sen vuoksi, että sylinteripari nousisi mahdollisemman tasaisesti, koska sylintereille kuormat ovat erisuuria. Virranjakoventtiili muodostuu rungosta ja patruunasta (kuva 14). KUVA 14. Virranjakoventtiilin osat, vasemmalla patruuna ja oikealla runko Paineventtiilit Hydrauliikassa voimaa ja momenttia voidaan säätää muuttamalla hydraulista painetta. Paineventtiileitä käytetään järjestelmän toiminnan ohjaamiseen ja paineen säätöön. Paineventtiilien tehtävänä on rajoittaa järjestelmäpaineen suu- 28

29 ruuden halutulle tasolle, jottei paineen kasvu rikkoisi hydraulikomponentteja. Tyypillisesti paineventtiilit ovat tyypiltään istukka- tai luistintyyppisiä (kuva 15) Istukkarakenteisella venttiilillä on etuina vuodottomuus ja nopea toiminta. Luistintyyppisellä venttiilillä saavutetaan tarkempi paineen säätö ja tasaisempi toiminta kuin istukkarakenteisella. (1, s. 254.) KUVA 15. Istukka- (a) ja luistinrakenteinen (b) paineventtiili (1, s. 254) Hydraulijärjestelmässä käytetään yhtä paineenrajoitusventtiiliä (kuva 16), joka rajoittaa pumpun tuottaman paineen. Paineenrajoitusventtiilit ovat normaalisti suljettuja ja venttiilin ohjaamiseen tarvittavan ohjauspaineen saadaan venttiilin tuloliitännästä. Venttiili kytketään linjan ja säiliön väliin, jolloin ohjauspaineen saavuttaessa asetetun avautumispaineen venttiili avautuu ja neste pääsee virtaamaan tuloliitännästä lähtöliitäntään eli säiliöön. (1, s. 259.) KUVA 16. Paineenrajoitusventtiilin piirustusmerkki Koneikossa on sisäänrakennettuna paineenrajoitusventtiili, joka on asetettu pumpun suurimmalle tuotolle, joka on 100 bar. Paineen ylittäessä säädetyn pai- 29

30 nerajan jousivoima voitetaan ja hydraulineste ohjataan toista reittiä pitkin takaisin säiliöön ennen kuin jousi voittaa järjestelmässä olevan paineen Suuntaventtiilit Suuntaventtiileillä ohjataan toimilaitteiden liikesuuntia. Venttiilit ohjaavat tilavuusvirran eri lähtöihin, mikä mahdollistaa toimilaitteiden eri toiminnot. Suuntaventtiilit luokitellaan toisistaan liitäntöjen ja kytkentäasentojen lukumäärän perusteella. Luokitustapaa nimitetään L/K-suuntaventtiiliksi, missä L ilmaisee liitäntöjen määrän ja K kytkentävaihtoehtojen määrän. (1, s. 236.) Liitännät venttiilissä merkitään kirjaimin, joista - P = paineliitäntä - T = paluuliitäntä - A ja B = työliitännät. (1, s. 236.) Järjestelmässä käytetään mekaanisesti ohjattua 4/3-suuntaventtiiliä (kuva 17). Suuntaventtiiliä ohjataan mekaanisesti vivun kautta, joka muuttaa luistimen tai istukan asentoa ohjaten nesteen haluttuun työliitäntään. KUVA 17. 4/3 -suuntaventtiili Keskimmäinen asento on vapaakierto. Vapaakierrossa hydraulineste pääsee kiertämään suuntaventtiilin kautta takaisin säiliöön (kuva 18). 30

31 KUVA 18. 4/3-suuntanventtiilin luistinasennot Vastaventtiileitä käytetään sallimaan hydrauliikkajärjestelmässä tietyn suuntaisen virtauksen ja estämällä vastakkainen virtaus. Venttiilissä käytettävä sulkukappale voi olla kuula, patruuna, kartio tai lautanen, jota pidetään istukkaa vasten jousen avulla (kuva 19). (1, s. 231.) KUVA 19. Vastaventtiilien rakenteita (1, s. 231) Järjestelmässä on kaksi paria vastaventtiileitä. Vastaventtiilit on asennettu niin, että ajoneuvon ulkopuolelta liitettävät hydrauliletkut kiinnitetään niihin. Venttiilien avulla letkujen irrottaminen on nopeaa eikä hydraulineste pääse valumaan pois järjestelmästä. 4.5 Hydraulineste Hydraulinesteen tehtäviä ovat energian siirtäminen, kitkan ja kulumisen vähentäminen, voitelu ja lämmön siirtäminen. Nesteen avulla lämpöä siirretään paikasta toiseen, missä sitä syntyy (3, s. 109). Hydraulinesteet voidaan jakaa koostumuksen pohjalta neljään ryhmään: 31

32 - palamattomat nesteet - synteettiset - kasviöljyperustaiset - mineraaliöljyt. Käytön kannalta viskositeetti on olennainen omaisuus nesteen kannalta. Viskositeetti muuttuu paineen ja lämpötilan mukaan, jolloin on tärkeätä käytön kannalta, että neste on kemiallisesti pysyvä, jotta sillä saavutettaisiin pitkä käyttöikä ja huoltoväli (3, s. 109). Viskositeetti (cst) kuvastaa nesteen sisäistä kitkaa. Mitä suurempi viskositeetin arvo on, sitä jäykempää neste on. (3, s. 110.) Sylinterit ovat ruostumatonta terästä ja niille suositellaan mineraaliöljyä. Koneikolle ei ole vaatimuksia valmistajan puolelta, joten käytetään mineraaliöljyä. Järjestelmä tulee toimimaan lämpimissä olosuhteissa, jolloin nesteen viskositeetti ei ole mitoituskriteeri. Teboilin hydrauliikkaöljyistä (kuva 20) voidaan valita sopiva öljy käyttötarkoitukseen, joka on Hydraulic Oil 68 -öljy. Kyseisen öljyn toiminta-alue on noin C. Käyttölämpötilan ollessa kylmempi nesteen viskositeetti kasvaa liian suureksi, ja liian lämpimänä viskositeetti pienenee liikaa eikä kykene enää toimimaan oikein. KUVA 20. Teboil hydrauliikkaöljyjen käyttölämpötila-alueet (4, linkit Tuotteet -> Teboil Voiteluaineet -> Hydrauliikkaöljyn valintaperusteita) 32

33 4.5.1 Virtaustyypit Nesteen virtaustyypillä on merkitystä, jotta hydraulijärjestelmän virtaushäviöt olisivat mahdollisimman pienet. Virtauksen tulisi olla tasaista ja pyörteetöntä eli laminaarista. (1, s. 27.) Laminaarinen ja turbulenttinen virtaus Virtaus on tyypiltään laminaarista tai turbulenttista virtausta. Laminaarisessa virtauksessa nesteosat kulkevat tiettyä rataa, jolloin liike on virtaviivasta. Virtausnopeuden noustessa nesteeseen syntyy yksittäisiä pyörteitä, jotka muuttuvat virtausnopeuden kasvaessa täysin pyörteelliseksi, turbulenttiseksi. Tällöin nesteosat liikkuvat ilman rajoitusta vapaasti noudattamatta virtausratoja. Virtaushäviöt laminaarisessa virtauksessa kasvavat lineaarisesti virtausnopeuden funktiona ja turbulenttisessa eksponentiaalisesti. (1, s. 27.) Virtaustyypin voidaan selvittää Reynoldsin luvun (Re) avulla. Saatua arvoa voidaan verrata Reynoldsin (Re kr ), joka ilmaisee laminaarisen virtauksen muuttumisen turbulenttiseksi (kuva 21). Re < Re kr virtaus on laminaarista ja turbulenttista Re > Re kr. (1, s. 28.) KUVA 21. Reynoldsin (Re kr ) kriittisen luvun ohjearvoja (1, s. 29) Reynoldsin luku määritetään kaavalla 8. Reynoldsin arvo on laaduton, eli se ei sisällä mitään yksikköä. ef = g h KAAVA 8 33

34 v = virtausnopeus (m/s) v = kinemaattinen viskositeetti (m 2 /s) D H = putken sisähalkaisija (m) ef = i,jz O 5 38kl kiz O =915 Virtaustyyppi on laminaarista, jolloin letkun sisähalkaisija on riittävä. Virtaustyyppiin vaikuttaa virtausnopeus, putken tai letkun halkaisija ja hydraulinesteen viskositeetti. (1, s. 29.) 4.6 Letkut Letkuja käytetään putkistojen sijaan silloin, jos järjestelmässä toisiinsa nähden liikkuvia osia tai käytettävissä oleva asennustila putkistolle on rajallinen. Hydraulijärjestelmissä käytettävät letkut jaetaan matalapaineletkuihin, keskipaineletkuihin ja korkeapaineletkuihin. Tyypillisesti letkun materiaali on synteettistä kumia, mutta myös termoplastisia materiaaleja käytetään. Käyttöpainetason mukaan letkuissa on yksi tai useampi vahvikekerros, joka on tekstiili- tai metallikudosta. (1, s. 416.) Letkujen ominaisuuksien määrittäminen perustuu usein SAE J517 -standardiin, joka jakaa letkut rakenteen, käyttötarkoituksen ja paineenkeston perusteella. Letkut jaetaan 14 ryhmään, joka jakautuu SAE 100R1-14. Standardi määrittää letkukoon sisähalkaisijan avulla, joka ilmoitetaan halkaisijaa kuvaavan tunnusluvun, tuuman avulla (kuva 22). Letkukoko voidaan myös ilmoittaa DINstandardin mukaisesti likimäärin millimetreinä. (1, s. 417.) KUVA 22. Hydrauliikkaletkujen sisähalkaisijakoot (1, s. 418) 34

35 Normaaleiden letkujen sallitut käyttölämpötilat ovat C välillä. Teflonletkuilla käyttölämpötilat rajoittuvat C ja kokometalliletkuilla vieläkin enemmän. Letkujen päissä on liittimet, jotka voidaan kiinnittää letkuun kierrettävillä tai puristettavilla liittimillä. Kierrettävät liittimet voi itse vielä kiinnittää, mutta puserrettaviin tarvitaan erikoistyökaluja. (3, s. 124.) Sisähalkaisijan mittaa varten tarvitaan öljyn virtausnopeus letkussa, joka lasketaan kaavalla 9 (6, s. 862). m = n o 2 7 p KAAVA 9 q v = tilavuusvirta (l/min) d = letkun sisähalkaisija (mm) m = 3l /abc 4 * (6) =0,1 Öljyn virtausnopeuden selvittyä voidaan laskea letkun sisähalkaisija kaavalla 10 (6, s. 862).? =r 2 n o 7 KAAVA 10? =, 4 3l /abc * 0,1 =6,1 Suositeltava sisähalkaisija letkulle on 6,1 mm, joten 6,3 mm letku valittiin. Valittu letku on ISO11237/EN857-standardiin perustuva ja kestää 425 bar paineen. Laskenta on teoreettinen, koska virtausvastuksia ei ole otettu huomioon letkun mitoituksessa. Rullamitalla mitattiin ajoneuvon oikeaan takakulmaan letkujen mitat (taulukko 6). Pikaliittimet tulivat polttoaineen täyttöluukun alle, josta vastakappaleet tulivat 2,5 m päästä 4/3-suuntaventtiililtä. Hydraulipumpulta suuntaventtiilille letkujen pituudet olivat 0,35 m ja 0,5 m. Näiden lisäksi 4/3-suuntaventtiililtä tuleva A- liitännän pikaliittimen jälkeen oli 700 mm letku, joka kiinnitettiin virranjakoventtiiliin kiinni. 35

36 TAULUKKO 6. Letkujen pituudet sylintereiltä Sylinteri Meno Paluu Oikea etu mm mm Vasen etu mm mm Oikea taka mm mm Vasen taka mm mm Letkujen yhteenlaskettu pituus on 25,15 m. Letkun sisähalkaisijan ja pituuden perusteella voidaan määrittää letkujen tilavuus kaavalla 11. (8, s. 21.) : =* + h KAAVA 11 h = letkun pituus (m) : =* (0,00315) 25,15 =7,83 10 =2 > =0,78d Hydraulijärjestelmän öljytilavuus voidaan laskea kaavalla 12 kun tiedetään letkujen ja sylintereiden tilavuudet. ä =: < 1 +: KAAVA 12 ä =1,256d+0,78d =2d 4.7 Hydraulikaavio Hydraulijärjestelmän hydraulikaavio suunniteltiin (kuva 23) FluidSim Hydraulics -ohjelmalla. Ohjelmisto sisältää yleisimpiä hydrauliikka- ja pneumatiikkakomponentteja, joista voidaan virtuaalisesti rakentaa järjestelmän ja testata sen toimivuutta. 36

37 KUVA 23. Hydraulikaavio Kuvassa 23 esitetään hydraulijärjestelmän komponentit: 1. kaksitoiminen sylinteri päätyvaimennuksella 2. virranjakoventtiili 3. 4/3-suuntaventtiili, ohjaus vivulla 4. painemittari 5. paineenrajoitusventtiili 6. vakiotilavuuspumppu 7. suodatin 8. säiliö. Hydraulijärjestelmä rakennettiin kuvan 23 kaavion mukaisesti. Huolimatta siitä, että pumppu ja säiliörakenne ovat rakennettu yhdeksi paketiksi, toimintaperiaate on kaavion mukainen. 37

38 4.8 Sylinteiden tuenta Sylinterit asennettiin ajoneuvoon niin, että asennuskohdat ovat mahdollisemman etäällä toisistaan, jotta saavutettiin vakaa nosto. Asennuskohtien kestävyys oli riittämätön, jolloin niitä piti vahvistaa Audissa teräskonstruktioilla. Auton korirakenteet ovat terästä, joten vahvistus suoritettiin hitsaamalla teräslevyjä suunniteltuihin asennuskohtiin. Vahvistus- ja tukipalat ovat S235-terästä Etusylinterit Kuljettajan ja matkustajan jalkatilat, johon sylinterit asennettiin, ovat ohutta teräspeltiä. Materiaalin ominaisuuksia ei tiedetä tarkkaan, jolloin lattiaa oli vahvistettava. Vahvistus toteutettiin 10 mm teräslevyllä, joka hitsattiin kiinni ajoneuvon lattiaan. Teräslevyssä on reikä keskellä sylinteriä varten ja neljä m8-kierrettä (kuva 24). Keskireiän ulkopuolella olevat reiät ovat tarkoitettu muttereiden syvennyksiä varten, jotka tulevat sylintereiden pinnapulteista. KUVA 24. Lattiatuen rasitukset Tukirakenteisiin suoritettiin SolidWorks Student Edition -ohjelmalla rasituslaskelmat (kuva 24). Simuloinnissa valittiin kappaleen materiaali, voiman suuruu- 38

39 den ja voimien suunnat. Näiden tietojen perusteella ohjelmisto laski ja näytti Von Mises -jännityksen graafisesti kappaleessa. Suurin jännitys on asteikossa korkeimpana. Simuloinnin tuloksena selvisi, että lattiatuki kestää sille osoitetut rasitukset. Sylinterin alaosaan tuli erillinen levy, joka kiinnitettiin ruuviliitoksiin lattiatukeen. Tuki on lähes samankaltainen kuin lattiatuki, mutta muttereille on tehty syvennykset ja kierteet puuttuvat (kuva 25). Syvennykset muttereille ovat 8 mm syvät ja reikien halkaisijat ovat 24 mm. Pienempien reikien halkaisijat ovat 8 mm, joiden lävitse pultit menevät ja kiinnittyvät lattiatukeen. KUVA 25. Sylinterin tuentalevyn rasituslaskelmat Sylinterin alatukeen suoritettiin samalla lailla rasituslaskelmat kuin lattiatukeen (kuva 25). Simuloinnissa valittiin samansuuruinen voima ja suunta kuin lattiatuen simuloinnissa. 39

40 Suurimmat rasitukset kohdistuvat tuen muttereiden upotuksiin, koska materiaalivahvuus on 2 mm upotuksissa. Rasituksen suuruus ei ole tuelle vaarallinen, joten tuki kestää sille suunnatut rasitukset. Sylinteri tuettiin yläosasta l:n muotoisella tuella turvakehikkoon. Yläosan tuen materiaalivahvuus on 4 mm ja rasitussimuloinnissa käytettiin suurinta kuormaa (taulukko 2) tuelle, mutta todellisuudessa kuorma jakaantuu ylä- ja alatuelle. Suurimmat jännitykset kohdistuvat tuen sisäreunalle (kuva 26). KUVA 26. Ylätuen rasitukset Suurimman jännityksen esiintyminen sisäreunassa seuraa siitä, koska tuki on ruuviliitoksella seinämästä kiinni turvakehikossa. Rasituksen määrää voisi pienentää asentamalla poikkituet seinämän ja lattian välille, mutta vahvistaminen ei ole tarpeellista Takasylinterit Takasylintereiden tuenta hoidettiin yhdellä tukikonstruktiolla sylinteriä kohden. Sylinteriin kiinnittyvään tukeen hitsattiin kaksi l:n muotoista tukea, jotka hitsattiin päädyistä ajoneuvon korirakenteeseen, joka sijaitsi vararengaskotelon etupuolella. Tukirakenteelle sovellettiin samanlainen simulaatio kuin muille tukiraken- 40

41 teille. Taka-akselilla kulmapainojen ero on 11 kg (taulukko 1), joten simulaatio toteutettiin raskaamman kuormituksen mukaisesti molemmille puolille (kuva 27). KUVA 27. Takasylinterin tuen rasitukset Suurimmat rasitukset kohdistuivat tukipalasten sisäreunaosioihin. Rasituksen määrä ei ole rakenteelle liikaa, jolloin tuki kestää sille osoitetut rasitukset Hitsausliitokset Tuet hitsattiin kiinni ajoneuvon korirakenteisiin suunnitelman mukaisesti. Hitsaussauman laskemisella varmistetaan, etteivät hitsausliitokset murru rasituksen alaisena. SFS standardin mukaan alle 16 mm paksuiselle S235- teräkselle ilmoitetaan suurimmaksi sallituksi vertailujännitteeksi 120 MPa, minkä alle hitsin suurimman jännityksen pitää jäädä. Kaikki hitsausliitokset tukirakenteissa ovat pienaliitoksia, joille voidaan laskea staattisesti hitsausliitoksen jännitys. Kaavalla 11 voidaan määrittää hitsaussauman jännitys. (7, s. 19.) t u = $ ( ) t u KAAVA 11 a = hitsin a-mitta (mm) l = hitsaussauman pituus (mm) σ xyz{{b } =sallittu jännitys 120 MPa (8,s.19) 41

42 Etummaisen sylinterin lattiatuen mitat ovat 80 mm leveä ja 90 mm pitkä. Lattiatuet ovat hitsattu reunoista kiinni ajoneuvoon. Tällöin saadaan hitsausliitoksen jännitykseksi t u = 4149,6 =4ˆ() 120ˆ(). (3 ( )) Hitsausliitos kestää sille kohdistuvat rasitukset, ja varmuuskertoimen ollessa 30 ylätukeen ei tarvitse tehdä mitoitusta. Takatuen hitsausliitoksen mitoitus tehdään samalla lailla kuin etusylinterin lattiatuelle. Takatuen mitat ovat 135 mm leveä, 80 mm pitkä ja 70 mm korkea. Takatuki hitsattiin kiinni molemmilta puolilta korkeussuunnassa ja toiselta puolelta leveyssuunnassa. Takatuen hitsin jännitykseksi saadaan tällöin t u = 2045,4 =1,6ˆ() 120ˆ(). (3 (135+(4 70)) Takatuen hitsaussaumat kestävät. Hitsisaumojen pituutta olisi voinut vähentää, mutta ajoneuvon materiaalin ominaisuuksia ei tiedetty. Tuet pyrittiin mahdollisemman laajalta alueelta hitsaamaan, jotta ajoneuvon materiaali kesti sille kohdistetut rasitukset Ruuviliitokset Etummaiset sylinterit kiinnitettiin neljällä m8-pultilla lattiakiinnikkeeseen kiinni. Sylinterin yläosa tuettiin neljällä m10-pultilla, joita mutterit pitävät puristuksessa kiinni sylinterissä. Ylätuki kiinnitettiin kahdella m10-pultilla turvakehikkoon kiinni, jossa oli hitsattuna teräskonstruktio kiinnityksiä varten. Takimmaiset sylinterit kiinnittyvät suoraan tukiin kiinni pinnapulttien muttereilla, jolloin etusylintereiden pulttien kiristyksessä käytettiin kuvan 28 arvoja. Muttereiden ominaisuuksista ei ole tietoja, jolloin käytettiin käsimääräistä kiristysmomenttia. 42

43 KUVA 28. Pulttien kiristysmomentit (7, s. 73) Etusylintereiden alakiinnitykseen käytettiin m8-kuusiokolopultteja ja yläkiinnitykseen m10-pultteja. Kuvasta 28 voidaan lukea, että kuusiokolopulttien kiristysmomentti on 20,6 Nm, kun lujuusluokka on 8.8. Ylätuen kuusiopulttien kiristysmomentti on 41,1 Nm. Kuvan 28 arvot pitävät paikkansa silloin, kun pultit ovat sähkösinkittyjä ja öljyttyjä. Ruuville lasketaan staattinen lujuus kierteen kohdalta, koska ruuvin on kestettävä siirtämään siihen kohdistuvia aksiaalisia voimia. Ruuvi katkeaa varren tai kierteen kohdasta edellyttäen ettei kanta irtoa varresta. Lastuamalla tehdyssä ruuvissa kierre- ja varsiosat ovat yhtä lujat, jolloin lasketaan ruuvin vetomurtolujuus kierteen kohdassa kaavalla 11 (9, s. 185). Staattinen mitoitus lasketaan sen vuoksi, että nostokertojen määrä jää muutamiin nostoihin. =& e KAAVA 11 43

44 A s = ruuvin jännityspinta-ala 36,6 mm 2 (9, s.165) R m = ruuvin murtolujuus 800 N/mm 2 (9 s.181) =36,6 800 =29280 =29,3 Pultille kohdistuva kokonaisvoima (kaava 12) voidaan laskea, jos tiedetään esikiristysvoima (kuva 28) ja pultille kohdistuva lisävoima ulkoisesta kuormituksesta. 1 = 1<+ KAAVA 12 1 =12,7+4,1 =16,8 Yhdelle m8-ruuville kohdistuu 16,7 kn voima etusylintereillä. Ruuveja on neljä, jolloin voima jaetaan 4:llä (kaava 13). = $ VYYoR 2 KAAVA 13 = 35,L6 2 =4,2 Etusylintereiden ylätuet ruuviliitokset mitoitetaan samalla lailla kuin m8-ruuvien. Koska ylätuissa ei ole kierteitä, kierreosioon ei kohdistu samanlaisia rasituksia, mutta varteen kohdistuu. Tämän vuoksi voidaan käyttää kaavaa 11. =& e A s = ruuvin jännityspinta-ala 58 mm 2 (9, s. 165) R m = ruuvin murtolujuus 800 N/mm 2 (9, s. 181) = =46400 =46,4 Ruuville kohdistuva kokonaisvoima lasketaan kaavalla =20+4,1 =24,1 44

45 Ruuviliitoksia on 2, joten F ruuvi jaetaan ruuvien lukumäärällä. = 24,1 2 =12 M8-ruuvit kestävät niille osoitetut rasitukset 4,2 16,7 sekä m ,4. Ruuvien lukumäärä olisi voinut olla vähäisempi, mutta ruuville kohdistuva kokonaisvoima on pienempi, mikä lisää konstruktion kestävyyttä, jos liitoksille tapahtuu heikkenemistä. 45

46 5 TOTEUTUS Sylintereille tukien suunnittelu aloitettiin mittaamalla sylinterin keskireiän halkaisijan ja pinnapulttien muttereiden halkaisijat. Näiden pohjalta suunniteltiin hyvin minimalistiset tukirakenteet, jotta tukirakenteet eivät vieneet liiaksi tilaa kuskin ja matkustajan jalkatiloista. Sylintereiden piti olla myös helposti purettavissa tukirakenteista, joten käytettiin ruuviliitoksia sylintereiden kiinnittämiseen. Taimmaiset sylintereille kohdistuvat voimat olivat noin puolet pienemmät, jolloin käytettiin vain yhtä tukirakennetta niille. Tukirakenteiden tekeminen aloitettiin, että 3D-mallit muutettiin vesileikkurille sopivaan DXF-muotoon. Mallit siirrettiin vesileikkurille (kuva 29), joka leikkasi 10 mm teräslevystä mallien mukaiset kappaleet. KUVA 29. Vesileikkurin ohjauspaneeli Vesileikkurin leikattua 3D-mallien mukaiset kappaleet etummaisiin lattiakiinnikkeisiin tehtiin kierteitys m8-kierretapilla, jossa oli 1,25 mm nousu. Käyttämällä standardikokoista kierretappia, käytettiin lähes joka kaupasta löytyviä m8- pultteja (kuva 30). 46

47 KUVA 30. Lattiakiinnikkeet valmiina Sylintereihin kiinnittyvät alatuet ovat samanlaisia kuin lattiakiinnikkeet, mutta kierteitä ei ole. Sylintereiden alatukien muttereiden syvennykset tehtiin viisiakselisella CNC-koneella. Materiaalipoistoa tehtiin 8 mm, jolloin sylintereiden mukana tulleet mutterit mahtuivat upotuksiin (kuva 31). KUVA 31. Sylinterin alatuki koneistuksessa Takasylintereiden tuet ovat samankaltaiset kuin etusylinterin alatuki. Ainoana erona on, että ruuviliitoksille ei ole reikiä tehty ja kappale on 25 mm pidempi. Takasylintereiden tukeen (kuva 32) hitsattiin kaksi kolmion muotoista tukea kiinni, joista se hitsattiin ajoneuvon korirakenteeseen. 47

48 KUVA 32. Takasylinterin tuki hitsattu kasaan Etu- ja takasylintereiden tuet hitsattiin ajoneuvoon kiinni niille suunnitelluille paikoille. Etusylintereiden tuet hitsattiin kiinni kuljettajan ja matkustajan jalkatiloihin ja takasylintereiden tuet taka-akselin etupuolelle. Alun perin tarkoitus oli suunnitteella takasylintereiden paikat apurunkoon taka-akselilla, mutta apurungon toteutusta ei tehty. Etummaiset sylinterit kiinnitettiin ruuviliitoksiin tukiin kiinni ja taimmaiset sylinterit muttereilla. Letkut liittimineen teetätettiin Kailatecillä. Letkut leikattiin leikkurilla halutun mittaiseksi ja letkun päähän laitettiin valittu liitin, joka puristettiin metalliholkilla letkuun kiinni. Letkut kiinnitettiin sylintereissä oleviin kiinnikkeisiin. Etummaiset sylinterit kiinnitettiin ruuviliitoksiin niille osoitetulle paikoille ja taulukon 6 mukaan oikean mittaisen letkut liitettiin kiinni sylinteriin (kuva 33). KUVA 33. Etusylinteri kiinnitetty paikoilleen ja letkut liitetty 48

49 Etusylintereille letkujen liittimet ovat 90 asteen kulmassa, koska lattialista ja ovi olisivat osuneet suoriin liittimiin. Mutkat hydraulijärjestelmässä lisää virtausvastuksia jonkin verran, mutta sitä ei huomioida. Taimmaisille sylintereillä alempi liitos, jonka kautta hydraulineste suorittaa miinusliikkeen sylinterin männälle, valittiin 90 asteen liitin. Ylempi liitin toteutettiin suoralla liitoksella (kuva 34). KUVA 34. Takasylinterin liittimet Kaikki letkut kiinnitettiin taulukon 6 mukaiselle sijainnille, minkä jälkeen ajoneuvon hydrauliikka on valmiina (kuva 35). Sylintereiden letkujen kiinnittämisen lisäksi liitettiin t-haarat ja virranjakoventtiili hydraulikaavion mukaisesti. 49

50 KUVA 35. Sylintereiden kytkennät valmiina Ajoneuvosta tulevat pikaliittimet kiinnitettiin 4/3-suuntaventtiililtä tuleville pikaliittimiltä, minkä jälkeen vipua käännettiin haluttuun suuntaan, jolloin sylintereiden männänvarret tekivät plus- tai miinusliikkeen ja ajoneuvo nousisi männänvarsien varassa ilmaan tai laskeutuisi renkailleen (kuva 36). KUVA 36. Vasemmalla pumppu sekä 4/3-suuntaventtiili ja oikealla ajoneuvo nostettu männänvarsien varassa ilmaan 50

51 6 YHTEENVETO Opinnäytetyössä perehdyttiin pneumaattisiin ja hydraulisiin sylintereihin, joille oli tiettyjä vaatimuksia. Vaatimuksien perusteella suunniteltiin mahdollisemman edullinen korin nostolaite, joka toimisi suunnitelmien mukaisesti. Työ oli tarkoitus suunnitella pneumaattisesti ensin, mutta järjestelmän tyyppiä vaihdettiin sen kalleuden vuoksi. Pneumaattinen suunnitteluosio jätettiin pohjustamaan hydraulista järjestelmää, josta rakennettiin suunniteltu järjestelmä. Suunnittelun aikana käytettiin apuna sovelluksia, joiden avulla saatiin tehtyä lujuusanalyysejä ja hydraulijärjestelmän suunnittelua. Työ tarjosi mahdollisuuden paneutua tarkemmin hydraulijärjestelmän suunnitteluun ja sen tekemiseen. Tiedossa oli, että sylintereille kohdistuvat erisuuruiset kuormat aiheuttaisivat epätasaista nostoa, mikä kävi ilmi myös koenostossa. Ongelman voisi korjata lisäämällä kaksi virranjakoventtiileitä tai edullisemmin tekemällä kaikista letkuista yhtä pitkät. Jälkimmäinen ratkaisu ei tosin ole järkevää, koska letkujen määrä ajoneuvon sisällä kasvaisi liikaa eikä olisi esteettisesti sopivaa. Letkujen sijasta olisi voinut käyttää putkea, mutta tärinän ja hinnan takia sitä ei käytetty. Suunnitteluprosessi oli työläs ja eteni osa kerrallaan. Suunnittelun tuloksena saatiin toimiva prototyyppinostin, joka suoriutui sille asetetut vaatimukset. Kirjallisen raportin tekeminen pysyi aikataulussa, mutta toteutus oli myöhästyä. Korin nostolaite on Audissa toimintakuntoisena. Järjestelmää voisi tulevaisuudessa kehittää suunnittelemalla putkiliitokset ja säätämällä nostonopeuden samaksi kaikille sylintereille. Sylintereissä on magneettinen mäntä, jolle voisi luoda automaatiojärjestelmän. Sylinterin kylkeen voisi asentaa anturin, joka valvoisi männänvarren asemaa. Männänvarren luisuessa alaspäin anturi voisi varoittaa, että mäntä on liikkunut. 51